埋地输油管道泄漏对大地温度场影响数值模拟

高雪利，马贵阳，高忠杰

（辽宁石油化工大学石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

模拟与计算

埋地输油管道泄漏对大地温度场影响数值模拟

高雪利，马贵阳，高忠杰

（辽宁石油化工大学石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

管道泄露后引起流体能量迁移，渗流场对温度场产生较大影响。分析了渗流场与土壤温度场的耦合作用，采用有限容积法建立管道泄漏多孔介质流固耦合换热数学模型，界定合理的边界条件，利用SIMPLE算法进行数值求解。得到了管道泄漏前后大地温度场的变化规律。结果表明：管道泄漏后，一定时间内管道附近大地温度场波动明显。随着泄漏时间的延续影响区内温度场变化逐渐趋于平稳。在管线周围一定范围内布置光纤传感器，应用分布式光纤温度传感技术检查管道泄漏是可行的。

分布式传感技术； 光纤温度传感器； 泄漏； 多孔介质； 温度场

埋地管道具有便利、经济、安全、环保、使用年限长等优点，尤其在运输液体、气体、浆液等方面具有独特的优势。近年来随着管道输油输气应用的增多、管道使用年龄增长以及管道受损、腐蚀、地理条件和各地气候变化等因素的影响，泄漏事故频繁发生，造成很大的资源浪费并且给环境问题带来巨大的压力。因此制定科学合理的埋地管道检漏方案具有很大的实际意义。国内外目前对管道泄漏的探测主要分为监测和检测两种方法。应用比较广范的主要有，负压波检测法，流量平衡法，压力点分析法，噪声监测，漏磁探测，热红外检测，超声波检测等。分布式光纤温度传感技术[1-3]是目前世界上比较前沿的检测技术，在我国还尚未普遍使用。它是基于拉曼光反射、布里渊光反射和光纤光栅原理制定的检测方法。具有精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀 、体积小、易于安装等优点。是今后极具发展前景的管线检测技术[4-7]。分别对埋地管道输送过程中有无泄漏时的大地温度场分布进行数值模拟，得到了管道泄露前和发生泄露后，周围土壤温度场的不同。为分析和探测泄漏进度，评估污染奠定了理论依据。

1 问题的描述及网格的划分

某热油管道覆土深度 1.6 m,管道直径为Φ700 mm,测试区域土壤密度1 680 kg/m3，比热容2 225 J/（kg·K），导热系数1.512 W/（m·K）。管内原油温度52 ℃,密度870 kg/m3，比热容2 150 J/（kg·K），粘度2.27×10-4Pa·s，导热系数0.14 W/（m·K）。分别以管道右侧和下侧泄漏为例，建立二维泄漏模型，泄漏口处原油流速0.5 m/s，泄漏口孔径50 mm。模拟区域采用三角形网格进行单元划分。由于泄漏口附近温度场分布梯度较大，对该处网格的划分必须加密，以确保能够准确地捕捉到温度场的变化。

2 建立模型

2.1 物理模型

根据现场实测数据可知，距地面一定深度 H处，大地温度年终变化小于 1 ℃。可以认为H(m)处是恒温层，管道热量的耗散对距管道水平径向距离L处影响非常小，可认为左侧和右侧是绝热的。故简化后的物理模型见图1。

图1 管道泄露前稳态温度场Fig.1 Stable temperature field before leak

2.2 管道泄漏二维流固耦合数学模型

土壤作为多孔介质，具有一定的孔隙度，因此也有很好的储容性，即多孔介质储存和容纳流体的能力。埋地管道泄漏后，高温原油就会渗漏到土壤多孔介质中，从而影响泄漏点附近大地温度场的分布。因此整个泄漏过程可看作多孔介质的流固耦合换热问题[8]。质量守恒方程，动量守恒方程，能量守恒方程如下。

式中：Ef— 流体总能；

Es— 固体介质总能；

γ — 介质孔隙度；

keff— 介质有效导热率；— 流体焓源项。

其中：keff=γkf+ (1−γ)ks，kf为流体热导率，kf为固体导热率。

边界条件：（m2·K）,v为风速,TK为地表环境温度，K。

y=y0处，T=TM为地下恒温层，这里取278 K。

3 模拟结果分析

埋地输油管道在土壤中形成了自身稳定的温度场，改温度场的分布对管道泄漏后大地温度场的变化具有非常重要的影响,见图2。

图 2 管道正下方穿孔泄露后土壤温度场随时间变化等值线图Fig.2 Equivalence lines of soil temperature field below pipeline after leak at different time

图2为埋地管道正下方发生泄漏后，大地温度场随泄漏时间的变化而变化的规律图。结合稳态时图2分析可知：埋地输油管道泄漏后的最初一段时间大地温度场变化明显，并在短时间内形成一个较大的热影响区。由于受到泄漏口位置和重力的影响，高温区主要集中在管道下方一个椭圆形区域内。由模拟数据可知：当管道下方发生穿孔泄漏后，320 K等温线随泄漏口流体的扩散移动非常快。泄漏120 s后，距离管道底端下移0.723 m.。而270 K等温线位置基本没有变化。与泄漏前稳态的大地温度场相比，其它高于270 K的等温线均有不同幅度的下移。说明热影响区范围还再不断扩大。受重力的影响，管顶到地面之间的等温线位置基本没有变化。

图3为管道正右方发生穿孔泄漏时，土壤温度场随泄漏时间的变化规律图，结合图3可知：无论是下方泄漏还是右侧泄露，泄漏初期等温线变化趋势接近。泄漏初期泄漏口附近大地温度场变化剧烈，并很快形成一个较明显的热影响区。由于受到重力作用的影响，泄漏出的高温原油开始向下迁移，使得320 K等温线由椭圆形慢慢接近于圆形。

图 3 管道正右方穿孔泄露后土壤温度场随时间变化等值线图Fig.3 Equivalence lines of soil temperature field right pipeline after leak at different time

而且管道下方温度场变化明显。由图3可知：随着泄漏时间的继续，热影响区范围还在逐渐扩大，但慢慢趋于平稳。这是因为原油的粘度比较大，而且扩散过程受到土壤孔隙的粘滞阻力，惯性阻力等因素的影响远离泄漏口处渗流速度越来越小；同时渗流区域内孔隙中原油也逐渐达到拟饱和状态，随着热侵润面积的不断扩大，法面方向上的热量供应不足，从而导致泄漏一定时间后大地温度场的变化缓慢并逐渐趋于平稳。

从泄漏前后热影响区的变化来看，管道周围各处大地温度场都受到不同程度的影响，不同深度上的土壤温度与稳态时相比都有相应的变化。应用分布式光纤温度传感器测得的温度变化值可以精确到0.1 ℃，因此只要在管道周围一定范围内科学布点，即可检测并确定管道泄漏口的位置。由此可见，应用分布式光纤温度传感技术检测管道泄漏是可行的。

4 结论及建议

埋地管道泄漏后，最初一段时间内泄漏口附近土壤温度变化明显，泄漏点附近形成较大的热影响区。随着泄漏时间的延长热影响区范围逐渐扩大并开始逐渐趋于平稳。受到重力作用的影响，热力影响区逐渐向下方扩大。此项研究对科学合理地优化管道沿线光纤温度传感器的布点，指导管道泄漏检测工作，快速准确的检测到管线的泄露位置具有很好的现实意义。尽可能的减少经济损失，提高工作效率。

[1] HARLAN R L.Analysis of coupled heat-fluid transport in partially frozen soil[J].Journal Water Resources Research，1973，19(5)：1314-1323.

[2] Jim CP1.Liou.Leak Detection by Mass Balance Effective Norman Wells Iine[J].Oil and Gas Journal，1996，94(17)：69-74.

[3] 柴军瑞.大坝工程渗流力学[M].拉萨：西藏人民出版社,2001:45-60.

[4] 袁朝庆，庞鑫峰，刘燕.管道泄漏检测技术现状及展望[J].大庆石油学院学报,2006，4;76-79.

[5] 何建平.向家坝水电站大体积混凝土温度应力与温度控制[J].人民长江，2009:20-23.

[6] 袁朝庆，庞鑫峰，张敏政.埋地管道泄漏三维大地温度场仿真分析[J].西安石油大学学报,2007:166-167.

[7] 张其敏,严宏东.管道泄漏检测技术及评价[J].重庆科技学院学报,2006，8(2):33-35;53.

[8] 杨宇,孙建刚,刘振民.埋地热力管道泄漏对大地温度场影响的数值仿真分析[J].油气田地面工程,2004:10-12.

Numerical Simulation for Effect of Underground Pipeline Leakage on the Earth Temperature Field

GAO Xue-li,MA Gui-yang,GAO Zhong-jie
(School of Oil and Gas Engineering , Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China)

The pipeline leak can cause fluid energy transfer, and the seepage field has great impact on temperature field. In this paper, coupling effect of seepage field and soil temperature field was analyzed. Heat transfer mathematic model in porous medium on account of fluid-solid coupling effect around pipeline leak points was established by the finite volume method, the reasonable boundary conditions were defined, numerical calculation was carried by SIMPLE numerical algorithm. Change rule of temperature field before and after pipeline leak was gained. The results show that: after pipeline leak, within certain time, the earth temperature field near the pipeline fluctuates obviously ; along with continuation of leakage time, the temperature field in the area gradually tends to steady. Through laying fiber-optic sensors around the pipeline, pipeline leak check can be realized by distributed optical fiber temperature sensor technology.

Distributed sensing technique; Optic fiber temperature sensor; Leakage; Porous media; Temperature field

TE 973

A

1671-0460（2011）03-0294-03

辽宁省自然科学基金资助项目 基金号：20082186

2010-11-30

高雪利（1983-），男，硕士，山东滨州人，2011年毕业于辽宁石油化工大学油气储运工程专业，研究方向：埋地管道水热力耦合数值计算及管道渗漏温度场计算的研究。E-mail：sdsgxl@126.com。